JP2021150015A - Lithium air battery - Google Patents

Lithium air battery Download PDF

Info

Publication number
JP2021150015A
JP2021150015A JP2020045186A JP2020045186A JP2021150015A JP 2021150015 A JP2021150015 A JP 2021150015A JP 2020045186 A JP2020045186 A JP 2020045186A JP 2020045186 A JP2020045186 A JP 2020045186A JP 2021150015 A JP2021150015 A JP 2021150015A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
lithium
positive electrode
air battery
volume
negative electrode
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2020045186A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
陽子 長谷
Yoko Hase
陽子 長谷
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Central R&D Labs Inc
Original Assignee
Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toyota Central R&D Labs Inc filed Critical Toyota Central R&D Labs Inc
Priority to JP2020045186A priority Critical patent/JP2021150015A/en
Publication of JP2021150015A publication Critical patent/JP2021150015A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Hybrid Cells (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)

Abstract

To provide a lithium air battery in which an over voltage at a time of charging and discharging is reduced.SOLUTION: A lithium air battery 20 of the present disclosure, comprises: a negative electrode 21 having a negative electrode active material absorbing and discharging a lithium; a positive electrode 22 made of a carbon material containing no binding material, and using oxygen as a positive active material; and a non-aqueous electrolyte 26 which is in contact with the positive electrode, and contains a mixed solvent of acetonitrile and dimethyl sulfoxide within a range of 25 volume% or more and 90 volume% or less. In the lithium air battery 20, the positive electrode 22 may be composed of carbon paper. Besides, the negative electrode 21 may include a solid electrolyte 25 having a lithium metal as a negative active material and conducting the lithium ion between the positive electrode 22 and the negative electrode 21.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本開示は、リチウム空気電池に関する。 The present disclosure relates to a lithium-air battery.

従来、リチウム空気電池において、アセトニトリルを含む非水電解液を用いることが提案されている。例えば、特許文献1では、正極に接触する非水電解液の溶媒にアセトニトリルを用いることによって、放電容量を高めることが提案されている。また、例えば、非特許文献1では、アセトニトリルを含む電解液にジメチルスルホキシドを0.1M添加すると反応中間体LiO2の溶解性が向上することを、電気化学的手法によって検出したことが報告されている。また、非特許文献2では、アセトニトリルやジメチルスルホキシドなどの各種電解液溶媒について検討し、O2 -イオンあるいはLi+イオンに対する溶媒和が大きいほど、放電電位すなわちO2/Li+−O2 -のレドックス対の標準酸化還元電位が降下することを実験で示している。 Conventionally, it has been proposed to use a non-aqueous electrolytic solution containing acetonitrile in a lithium-air battery. For example, Patent Document 1 proposes to increase the discharge capacity by using acetonitrile as the solvent of the non-aqueous electrolytic solution in contact with the positive electrode. Further, for example, Non-Patent Document 1 reports that the addition of 0.1 M of dimethyl sulfoxide to an electrolytic solution containing acetonitrile improves the solubility of the reaction intermediate LiO 2 by an electrochemical method. There is. Further, Non-Patent Document 2, consider the various electrolyte solvent such as acetonitrile or dimethyl sulfoxide, O 2 - as solvated for ions or Li + ions is large, discharge potential i.e. O 2 / Li + -O 2 - of Experiments have shown that the standard redox potential of the redox pair drops.

特開2017−168190号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2017-168190

Electrochem. Commun. 31(2013)56.Electrochem. Commun. 31 (2013) 56. Angew. Chem. Int. Ed. 55(2016)3129.Angew. Chem. Int. Ed. 55 (2016) 3129.

しかしながら、特許文献1のリチウム空気電池では、放電容量を高めることができるものの、充放電時の過電圧が高いことがあった。また、非特許文献1では、アセトニトリルにジメチルスルホキシドを添加することで放電時の容量が向上する可能性を示唆しているが、充放電時の過電圧については検討されていなかった。また、非特許文献2では、放電時の過電圧に関連するO2/Li+−O2 -のレドックス対の標準酸化還元電位について検討されているが、ジメチルスルホキシドを用いると放電時の過電圧が増加することを示唆しているし、充電時の過電圧への影響は検討されていなかった。 However, in the lithium-air battery of Patent Document 1, although the discharge capacity can be increased, the overvoltage at the time of charging / discharging may be high. Further, Non-Patent Document 1 suggests that the addition of dimethyl sulfoxide to acetonitrile may improve the capacity at the time of discharge, but the overvoltage at the time of charging / discharging has not been studied. Further, in Non-Patent Document 2, the standard redox potential of the redox pair of O 2 / Li + −O 2 related to the overvoltage at the time of discharge is examined, but the overvoltage at the time of discharge increases when dimethylsulfoxide is used. It suggests that this should be done, and the effect on overvoltage during charging has not been investigated.

本開示は、このような課題に鑑みなされたものであり、充放電時の過電圧を低減したリチウム空気電池を提供することを主目的とする。 The present disclosure has been made in view of such a problem, and an object of the present disclosure is to provide a lithium-air battery in which an overvoltage during charging / discharging is reduced.

上述した目的を達成するために鋭意研究したところ、本発明者らは、正極に結着材を含まない自立した炭素材料を用い、且つ電解液にジメチルスルホキシドを25体積%以上90体積%以下の範囲で含むアセトニトリルとジメチルスルホキシドとの混合溶媒を含むものとすると、充放電時の過電圧を低減したリチウム空気電池となることを見いだし、本開示のリチウム空気電池を完成するに至った。 As a result of diligent research to achieve the above-mentioned object, the present inventors used a self-supporting carbon material containing no binder for the positive electrode, and added dimethylsulfoxide to the electrolytic solution in an amount of 25% by volume or more and 90% by volume or less. It has been found that if a mixed solvent of acetonitrile and dimethylsulfoxide contained in the range is contained, a lithium-air battery with reduced overvoltage during charging and discharging can be obtained, and the lithium-air battery of the present disclosure has been completed.

即ち、本開示のリチウム空気電池は、
リチウムを吸蔵放出する負極活物質を有する負極と、
結着材を含まない炭素材料からなり、酸素を正極活物質とする正極と、
前記正極に接触し、ジメチルスルホキシドを25体積%以上90体積%以下の割合で含むアセトニトリルとジメチルスルホキシドとの混合溶媒を含む非水電解液と、
を備えたものである。
That is, the lithium-air battery of the present disclosure is
A negative electrode with a negative electrode active material that occludes and releases lithium,
A positive electrode made of carbon material that does not contain a binder and uses oxygen as the positive electrode active material,
A non-aqueous electrolytic solution containing a mixed solvent of acetonitrile and dimethyl sulfoxide, which is in contact with the positive electrode and contains dimethyl sulfoxide in a proportion of 25% by volume or more and 90% by volume or less.
It is equipped with.

本開示では、充放電時の過電圧を低減したリチウム空気電池を提供することができる。このような効果が得られる理由は、例えば、以下のように推測される。本開示のリチウム空気電池では、正極は、結着材を含まない炭素材料からなり、非水電解液は、Li+イオン伝導性の高いアセトニトリルとLi+イオンと溶媒和しやすいジメチルスルホキシドとを所定の割合で含む混合溶媒を含む。これにより、正極−非水電解液間の電子移動と物質移動が円滑になり、正極表面の電子移動及び非水電解液中のイオン伝導の活性化エネルギーが低減されるなどして、充放電時の過電圧が低減すると推察される。 In the present disclosure, it is possible to provide a lithium-air battery in which an overvoltage during charging / discharging is reduced. The reason why such an effect is obtained is presumed as follows, for example. In the lithium-air battery of the present disclosure, the positive electrode is made of a carbon material containing no binder, and the non-aqueous electrolyte solution is defined as acetonitrile having high Li + ion conductivity and dimethyl sulfoxide that is easily solvated with Li + ion. Contains a mixed solvent containing in the proportion of. As a result, electron transfer and substance transfer between the positive electrode and the non-aqueous electrolytic solution become smooth, and electron transfer on the positive electrode surface and activation energy of ion conduction in the non-aqueous electrolytic solution are reduced, so that during charging and discharging. It is presumed that the overvoltage of the

リチウム空気電池20の一例を模式的に示す説明図。Explanatory drawing which shows an example of the lithium-air battery 20 schematically. 実験例1〜5の充放電容量と充放電電位との関係を示すグラフ。The graph which shows the relationship between the charge / discharge capacity and the charge / discharge potential of Experimental Examples 1-5.

本開示のリチウム空気電池は、リチウムを吸蔵放出する負極活物質を有する負極と、結着材を含まない炭素材料からなり酸素を正極活物質とする正極と、正極に接触し、ジメチルスルホキシドを25体積%以上90体積%以下の割合で含むアセトニトリルとジメチルスルホキシドとの混合溶媒を含む非水電解液と、を備えている。 The lithium-air battery of the present disclosure has a negative electrode having a negative electrode active material that occludes and releases lithium, a positive electrode made of a carbon material that does not contain a binder and has oxygen as a positive electrode active material, and a positive electrode that comes into contact with the positive electrode and contains 25 dimethylsulfoxide. A non-aqueous electrolytic solution containing a mixed solvent of acetonitrile and dimethylsulfoxide contained in a proportion of 50% by volume or more and 90% by volume or less is provided.

このリチウム空気電池において、負極は、リチウムを吸蔵放出する負極活物質を有する。リチウムを吸蔵放出可能な負極としては、例えば金属リチウムやリチウム合金のほか、金属酸化物、金属硫化物、リチウムを吸蔵放出する炭素質物質などが挙げられる。リチウム合金としては、例えばアルミニウムやスズ、マグネシウム、インジウム、カルシウムなどとリチウムとの合金が挙げられる。金属酸化物としては、例えばスズ酸化物、ケイ素酸化物、リチウムチタン酸化物、ニオブ酸化物、タングステン酸化物などが挙げられる。金属硫化物としては、例えばスズ硫化物やチタン硫化物などが挙げられる。リチウムを吸蔵放出する炭素質物質としては、例えば黒鉛、コークス、メソフェーズピッチ系炭素繊維、球状炭素、樹脂焼成炭素などが挙げられる。 In this lithium-air battery, the negative electrode has a negative electrode active material that occludes and releases lithium. Examples of the negative electrode capable of occluding and releasing lithium include metallic lithium and lithium alloys, as well as metal oxides, metal sulfides, and carbonaceous substances that occlude and release lithium. Examples of the lithium alloy include alloys of aluminum, tin, magnesium, indium, calcium and the like with lithium. Examples of the metal oxide include tin oxide, silicon oxide, lithium titanium oxide, niobium oxide, and tungsten oxide. Examples of the metal sulfide include tin sulfide and titanium sulfide. Examples of the carbonaceous substance that occludes and releases lithium include graphite, coke, mesophase pitch carbon fiber, spherical carbon, and resin calcined carbon.

このリチウム空気電池において、正極は、気体からの酸素を正極活物質とするものである。気体としては、空気であってもよいし酸素ガスであってもよい。この正極は、結着材を含まない炭素材料からなる。なお、結着材とは、粒子状の活物質を繋ぎ止める役割を果たすものをいい、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)等の含フッ素樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレン等の熱可塑性樹脂、エチレンプロピレンジエンモノマー(EPDM)ゴム、スルホン化EPDMゴム、天然ブチルゴム(NBR)等のゴムのほか、セルロース化合物やスチレンブタジエンゴム(SBR)等が挙げられる。この正極は、結着材を含まない炭素材料として直径5μm以上20μm以下の炭素繊維を含むものとしてもよい。この炭素材料は、例えば、炭素材料のみで自立した形状を維持することが可能なものとしてもよく、カーボンペーパーやカーボンフェルトなどのようなシート状のものとしてもよい。炭素材料が炭素繊維からなる場合、繊維方向が配向しているものとしてもよい。この炭素材料は、炭素材料自体に形成されたミクロ孔やメソ孔などの細孔容積が0.01cm3/g以下など、少ないものとしてもよいし、細孔がないものとしてもよい。また、炭素材料は、炭素繊維同士が形成する空間により多孔質に類似する性質を有するものとしてもよい。この炭素材料は、気体透過性が100(mL・mm/(cm2・h・Pa))以上300(mL・mm/(cm2・h・Pa))以下の範囲が好ましい。この範囲では、例えば非水電解液や酸素などを透過しやすく好ましい。このような炭素材料により正極を構成すると、正極の表面が完全に放電生成物で被覆されることなく継続して高出力の放電が可能である。なお、正極は、放電生成物であるリチウム酸化物やリチウム過酸化物を含んでいてもよい。また、正極は、触媒を含むものとしてもよい。触媒としては、例えば、酸素の酸化還元を行うものが好ましく、二酸化マンガン、四酸化三コバルトなどの金属酸化物であってもよいし、Pt、Pd、Coなどの金属であってもよいし、金属ポルフィリン、金属フタロシアニン、イオン化フラーレン、カーボンナノチューブなどの有機及び無機化合物であってもよい。 In this lithium-air battery, the positive electrode uses oxygen from a gas as the positive electrode active material. The gas may be air or oxygen gas. The positive electrode is made of a carbon material that does not contain a binder. The binder is a material that holds the active material in the form of particles, and is, for example, a fluororesin such as polytetrafluoroethylene (PTFE) or polyvinylidene fluoride (PVDF), polypropylene, polyethylene, or the like. Examples thereof include rubbers such as thermoplastic resins, ethylene propylene diene monomer (EPDM) rubbers, sulfonated EPDM rubbers and natural butyl rubbers (NBR), as well as cellulose compounds and styrene butadiene rubbers (SBR). The positive electrode may contain carbon fibers having a diameter of 5 μm or more and 20 μm or less as a carbon material that does not contain a binder. The carbon material may be, for example, one capable of maintaining an independent shape only with the carbon material, or may be a sheet-like material such as carbon paper or carbon felt. When the carbon material is made of carbon fibers, the fiber directions may be oriented. The carbon material may have a small pore volume such as micropores or mesopores formed in the carbon material itself, such as 0.01 cm 3 / g or less, or may have no pores. Further, the carbon material may have properties similar to porous due to the space formed by the carbon fibers. The carbon material preferably has a gas permeability in the range of 100 (mL · mm / (cm 2 · h · Pa)) or more and 300 (mL · mm / (cm 2 · h · Pa)) or less. In this range, for example, a non-aqueous electrolytic solution or oxygen is easily permeated, which is preferable. When the positive electrode is formed of such a carbon material, high-power discharge can be continuously performed without the surface of the positive electrode being completely covered with the discharge product. The positive electrode may contain a lithium oxide or a lithium peroxide which is a discharge product. Further, the positive electrode may include a catalyst. As the catalyst, for example, one that oxidizes and reduces oxygen is preferable, and a metal oxide such as manganese dioxide or tricobalt tetraoxide may be used, or a metal such as Pt, Pd, or Co may be used. It may be an organic or inorganic compound such as metallic porphyrin, metallic phthalocyanine, ionized fullerene, carbon nanotubes and the like.

このリチウム空気電池において、正極と接触する非水電解液は、ジメチルスルホキシドを25体積%以上90体積%以下の割合で含むアセトニトリル(以下ANとも称する)とジメチルスルホキシド(以下DMSOとも称する)との混合溶媒を含む。アセトニトリルとジメチルスルホキシドとの混合溶媒が、ジメチルスルホキシドを25体積%以上90体積%以下の割合で含む場合には、充放電時の過電圧が低減される。混合溶媒は、充放電時の過電圧をより低減する観点からは、ジメチルスルホキシドの割合が多いことが好ましく、例えば、ジメチルスルホキシドの割合を40体積%以上としてもよいし、50体積%以上としてもよい。また、混合溶媒は、充放電容量を高める観点からは、ジメチルスルホキシドの割合が少ないことが好ましく、例えば、ジメチルスルホキシドの割合を85体積%以下としてもよいし、75体積%以下としてもよい。なお、混合溶媒において、ジメチルスルホキシド以外(残部)はアセトニトリルである。混合溶媒において、アセトニトリルの割合は10体積%以上としてもよいし、15体積%以上としてもよいし、25体積%以上としてもよい。また、混合溶媒において、アセトニトリルの割合は75体積%以下としてもよいし、60体積%以下としてもよいし、50体積%以下としてもよい。この非水電解液には、支持塩が含まれるものとしてもよい。支持塩としては、特に限定されるものではないが、例えば、LiPF6,LiClO4,LiAsF6,LiBF4,Li(CF3SO22N,Li(CF3SO3),LiN(C25SO22などの公知の支持塩を用いることができる。これらの支持塩は、単独で用いてもよいし、複数を組み合わせて用いてもよい。支持塩は、ジメチルスルホキシド1リットルあたり2mol以下の割合で含まれていてもよく、1mol以下の割合で含まれていてもよい。支持塩は、ジメチルスルホキシド1リットルあたり0.1mol以上の割合で含まれていてもよい。非水電解液中の支持塩の濃度としては、0.1〜2.0Mであることが好ましく、0.5〜1.8Mであることがより好ましい。非水電解液には、上述した混合溶媒及び支持塩以外の成分、例えば、イオン液体やエーテル系溶媒などが含まれていてもよい。非水電解液において、混合溶媒及び支持塩以外の成分の割合は少ない方がよく、50体積%以下が好ましく、20体積%以下がより好ましく、10体積%以下がさらに好ましく、含まれないことが一層好ましい。イオン液体としては、例えば、N,N−ジエチル−N−メチル−N−(2−メトキシエチル)アンモニウムビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド(DEME−TFSI)、N,N−ジエチル−N−エチル‐N−(2−メトキシエチル)アンモニウムビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド、N−メチル−N−プロピルピペリジウムビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド、1−メチル−3−プロピルイミダゾリウムビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド、1−エチル−3−ブチルイミダゾリウムテトラフルオロボレートなどが挙げられる。エーテル系溶媒としては、例えばジメトキシエタン、トリエチレングリコール、テトラエチレングリコール等の鎖状エーテルなどが挙げられる。イオン液体やエーテル系溶媒などは単独で用いてもよいし、複数を混合して用いてもよい。 In this lithium-air battery, the non-aqueous electrolyte solution in contact with the positive electrode is a mixture of acetonitrile (hereinafter also referred to as AN) containing dimethyl sulfoxide in a proportion of 25% by volume or more and 90% by volume or less and dimethyl sulfoxide (hereinafter also referred to as DMSO). Contains solvent. When the mixed solvent of acetonitrile and dimethyl sulfoxide contains dimethyl sulfoxide in a proportion of 25% by volume or more and 90% by volume or less, the overvoltage during charging and discharging is reduced. The mixed solvent preferably has a large proportion of dimethyl sulfoxide from the viewpoint of further reducing the overvoltage during charging and discharging. For example, the proportion of dimethyl sulfoxide may be 40% by volume or more, or 50% by volume or more. .. Further, the mixed solvent preferably has a small proportion of dimethyl sulfoxide from the viewpoint of increasing the charge / discharge capacity. For example, the proportion of dimethyl sulfoxide may be 85% by volume or less, or 75% by volume or less. In the mixed solvent, acetonitrile is used except for dimethyl sulfoxide (the balance). In the mixed solvent, the proportion of acetonitrile may be 10% by volume or more, 15% by volume or more, or 25% by volume or more. Further, in the mixed solvent, the proportion of acetonitrile may be 75% by volume or less, 60% by volume or less, or 50% by volume or less. The non-aqueous electrolyte solution may contain a supporting salt. The supporting salt is not particularly limited, but is, for example, LiPF 6 , LiClO 4 , LiAsF 6 , LiBF 4 , Li (CF 3 SO 2 ) 2 N, Li (CF 3 SO 3 ), LiN (C 2). A known supporting salt such as F 5 SO 2 ) 2 can be used. These supporting salts may be used alone or in combination of two or more. The supporting salt may be contained in a proportion of 2 mol or less per liter of dimethyl sulfoxide, or may be contained in a proportion of 1 mol or less. The supporting salt may be contained in a proportion of 0.1 mol or more per liter of dimethyl sulfoxide. The concentration of the supporting salt in the non-aqueous electrolyte solution is preferably 0.1 to 2.0 M, more preferably 0.5 to 1.8 M. The non-aqueous electrolyte solution may contain components other than the above-mentioned mixed solvent and supporting salt, for example, an ionic liquid or an ether solvent. In the non-aqueous electrolyte solution, the proportion of the components other than the mixed solvent and the supporting salt is preferably small, preferably 50% by volume or less, more preferably 20% by volume or less, further preferably 10% by volume or less, and not contained. More preferred. Examples of the ionic liquid include N, N-diethyl-N-methyl-N- (2-methoxyethyl) ammonium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide (DEME-TFSI), N, N-diethyl-N-ethyl-. N- (2-methoxyethyl) ammonium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide, N-methyl-N-propylpiperidiumbis (trifluoromethylsulfonyl) imide, 1-methyl-3-propylimidazolium bis (trifluoromethyl) Examples thereof include sulfonyl) imide and 1-ethyl-3-butylimidazolium tetrafluoroborate. Examples of the ether solvent include chain ethers such as dimethoxyethane, triethylene glycol, and tetraethylene glycol. An ionic liquid, an ether solvent, or the like may be used alone, or a plurality of them may be mixed and used.

このリチウム空気電池において、負極と正極との間にセパレータを備えていてもよい。セパレータとしては、リチウム空気電池の使用範囲に耐えうる組成であれば特に限定されないが、例えば、ポリプロピレン製不織布やポリフェニレンスルフィド製不織布などの高分子不織布、ポリエチレンやポリプロピレンなどのオレフィン系樹脂の薄い微多孔膜が挙げられる。これらは単独で用いてもよいし、複数を混合して用いてもよい。 In this lithium-air battery, a separator may be provided between the negative electrode and the positive electrode. The separator is not particularly limited as long as it has a composition that can withstand the range of use of the lithium-air battery. The membrane is mentioned. These may be used alone or in combination of two or more.

このリチウム空気電池において、正極と負極との間にリチウムイオンを伝導する固体電解質を備えるものとしてもよい。こうすれば、正極及び負極の短絡を防止できる。また、負極活物質としてリチウム金属を有する場合には、この固体電解質を備えることが望ましい。非水電解液に含まれるアセトニトリルは、リチウム金属に接触すると還元されることがある。このリチウム空気電池では、負極がリチウム金属である場合に固体電解質によりアセトニトリルと負極との物理的接触を遮断することができ、非水電解液の劣化などをより抑制することができる。固体電解質は、緻密な板状体であるものが好ましく、例えば、気孔率が5%以下、より好ましくは、2%以下などが好ましい。固体電解質としては、例えば、ガラスセラミックスや、Liの窒化物、ハロゲン化物、酸素酸塩などが挙げられる。具体的には、ガラスセラミックスとして、Li1+XTi2SiX3-X12・AlPO4(OHARA電解質)や、Li1.5Al0.5Ge1.5(PO43(LAGP)などが挙げられる。その他に、特開2009−122991号公報に紹介されている固体電解質、例えば、ガーネット型酸化物Li5+XLa3(ZrX,Nb2-X)O12(Xは1.4≦X<2)、ガーネット型酸化物Li7La3Zr212 、ガーネット型酸化物Li7ALa3Nb212(A=Ca,Sr,Ba)、なども用いることができる。また、固体電解質としては、Li3.25Ge0.250.254、Li4SiO4、Li4SiO4−LiI−LiOH、xLi3PO4−(1−x)Li4SiO4、Li2SiS3、Li3PO4−Li2S−SiS2、硫化リン化合物なども挙げられる。また、固体電解質としては、LiとSrとZrとを含むペロブスカイト型イオン伝導性酸化物としてもよい。このペロブスカイト型イオン伝導性酸化物は、基本構成をSrZrO3とするものとし、SrサイトやZrサイトが他の元素により置換されたものとしてもよい。 In this lithium-air battery, a solid electrolyte that conducts lithium ions may be provided between the positive electrode and the negative electrode. In this way, a short circuit between the positive electrode and the negative electrode can be prevented. When lithium metal is used as the negative electrode active material, it is desirable to provide this solid electrolyte. Acetonitrile contained in the non-aqueous electrolyte solution may be reduced when it comes into contact with a lithium metal. In this lithium-air battery, when the negative electrode is a lithium metal, the physical contact between acetonitrile and the negative electrode can be blocked by the solid electrolyte, and deterioration of the non-aqueous electrolyte solution can be further suppressed. The solid electrolyte is preferably a dense plate-like body, and for example, the porosity is preferably 5% or less, more preferably 2% or less. Examples of the solid electrolyte include glass ceramics, Li nitrides, halides, and oxidates. Specific examples of the glass ceramics include Li 1 + X Ti 2 Si X P 3-X O 12 / AlPO 4 (OHARA electrolyte) and Li 1.5 Al 0.5 Ge 1.5 (PO 4 ) 3 (LAGP). .. In addition, solid electrolytes introduced in JP-A-2009-12291, for example, garnet-type oxide Li 5 + X La 3 (Zr X , Nb 2-X ) O 12 (X is 1.4 ≦ X < 2), garnet-type oxide Li 7 La 3 Zr 2 O 12 , garnet-type oxide Li 7 ALa 3 Nb 2 O 12 (A = Ca, Sr, Ba), and the like can also be used. As the solid electrolyte, Li 3.25 Ge 0.25 P 0.25 S 4, Li 4 SiO 4, Li 4 SiO 4 -LiI-LiOH, xLi 3 PO 4 - (1-x) Li 4 SiO 4, Li 2 SiS 3, Examples include Li 3 PO 4- Li 2 S-SiS 2 , phosphorus sulfide compounds and the like. Further, the solid electrolyte may be a perovskite-type ionic conductive oxide containing Li, Sr and Zr. The basic composition of this perovskite-type ionic conductive oxide is SrZrO 3, and Sr sites and Zr sites may be substituted with other elements.

固体電解質を備えたリチウム空気電池において、負極と固体電解質との間には、正極側の非水電解液とは異なるイオン伝導媒体を含むものとしてもよい。イオン伝導媒体は、非水電解液としてもよいし、ゲル電解質などとしてもよい。イオン伝導媒体には、例えば、プロトン性の有機溶媒が含まれているものとしてもよい。この有機溶媒は、例えば、イオン伝導媒体に、50体積%以上の範囲で含まれてもよく、70体積%以上含まれてもよく、80体積%以上含まれてもよい。このような有機溶媒としては、例えば環状カーボネート、鎖状カーボネート、環状エステル、環状エーテル、鎖状エーテル等が挙げられる。環状カーボネートとしては、例えばエチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ビニレンカーボネート等がある。鎖状カーボネートとしては、例えばジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネート等がある。環状エステルカーボネートとしては、例えばガンマブチロラクトン、ガンマバレロラクトン等がある。環状エーテルとしては、例えばテトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン等がある。鎖状エーテルとしては、例えばジメトキシエタン、トリエチレングリコール、テトラエチレングリコール等がある。これらは単独で用いてもよいし、複数を混合して用いてもよい。また、イオン伝導媒体には、上述したエーテル系溶媒やイオン液体が含まれているものとしてもよい。また、このイオン伝導媒体は、上述した支持塩を含むものとしてもよい。支持塩の種類や濃度などは正極側の非水電解液に準ずるものとしてもよい。支持塩の濃度は、正極側の非水電解液よりも高くしてもよい。 In a lithium-air battery provided with a solid electrolyte, an ion conductive medium different from the non-aqueous electrolyte solution on the positive electrode side may be contained between the negative electrode and the solid electrolyte. The ionic conduction medium may be a non-aqueous electrolyte solution, a gel electrolyte, or the like. The ionic conduction medium may contain, for example, a protonic organic solvent. This organic solvent may be contained in, for example, 50% by volume or more, 70% by volume or more, or 80% by volume or more in the ionic conduction medium. Examples of such an organic solvent include cyclic carbonates, chain carbonates, cyclic esters, cyclic ethers, chain ethers and the like. Examples of the cyclic carbonate include ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, vinylene carbonate and the like. Examples of the chain carbonate include dimethyl carbonate, diethyl carbonate, methyl ethyl carbonate and the like. Examples of the cyclic ester carbonate include gamma-butyrolactone and gamma valerolactone. Examples of the cyclic ether include tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran and the like. Examples of the chain ether include dimethoxyethane, triethylene glycol, tetraethylene glycol and the like. These may be used alone or in combination of two or more. Further, the ionic conduction medium may contain the above-mentioned ether solvent or ionic liquid. Moreover, this ion conduction medium may contain the above-mentioned supporting salt. The type and concentration of the supporting salt may be similar to that of the non-aqueous electrolyte solution on the positive electrode side. The concentration of the supporting salt may be higher than that of the non-aqueous electrolyte solution on the positive electrode side.

本開示のリチウム空気電池の形状は、特に限定されないが、例えばコイン型、ボタン型、シート型、積層型、円筒型、偏平型、角型などが挙げられる。また、電気自動車等に用いる大型のものなどに適用してもよい。図1は、本開示のリチウム空気電池20の一例を模式的に示す説明図である。このリチウム空気電池20は、リチウムを吸蔵放出する負極活物質を有する負極21と、酸素を正極活物質とする正極22と、負極21と正極22との間に配設された固体電解質25とを備えている。負極21と固体電解質25との間には、リチウムイオンを伝導するイオン伝導媒体24があり、正極22と固体電解質25との間には、リチウムイオンを伝導する非水電解液26がある。また、リチウム空気電池20は、ケーシング28と、押さえ部材31と、ガス溜め32とを備える、ケーシング28は、負極21や正極22を収容する絶縁体の収容容器である。押さえ部材31は、正極22を押さえる部材であり、内部を酸素が流通可能になっている。ガス溜め32は、その内部に酸素を含むガス(例えば乾燥空気)を収容しており、押さえ部材31を介して正極22に酸素を供給する。正極22は、結着材を含まない炭素材料からなる。また、非水電解液26には、ジメチルスルホキシドを25体積%以上90体積%以下の割合で含むアセトニトリルとジメチルスルホキシドとの混合溶媒が含まれる。 The shape of the lithium-air battery of the present disclosure is not particularly limited, and examples thereof include a coin type, a button type, a sheet type, a laminated type, a cylindrical type, a flat type, and a square type. Further, it may be applied to a large-sized vehicle used for an electric vehicle or the like. FIG. 1 is an explanatory diagram schematically showing an example of the lithium-air battery 20 of the present disclosure. The lithium-air battery 20 comprises a negative electrode 21 having a negative electrode active material that stores and releases lithium, a positive electrode 22 that uses oxygen as a positive electrode active material, and a solid electrolyte 25 disposed between the negative electrode 21 and the positive electrode 22. I have. There is an ionic conduction medium 24 that conducts lithium ions between the negative electrode 21 and the solid electrolyte 25, and a non-aqueous electrolyte solution 26 that conducts lithium ions between the positive electrode 22 and the solid electrolyte 25. Further, the lithium-air battery 20 includes a casing 28, a pressing member 31, and a gas reservoir 32. The casing 28 is an insulator container for accommodating the negative electrode 21 and the positive electrode 22. The pressing member 31 is a member that presses the positive electrode 22, and oxygen can flow through the inside. The gas reservoir 32 contains a gas containing oxygen (for example, dry air) in the gas reservoir 32, and supplies oxygen to the positive electrode 22 via the pressing member 31. The positive electrode 22 is made of a carbon material that does not contain a binder. Further, the non-aqueous electrolytic solution 26 contains a mixed solvent of acetonitrile and dimethyl sulfoxide containing dimethyl sulfoxide in a proportion of 25% by volume or more and 90% by volume or less.

ここで、リチウム空気電池の正極での反応について説明する。リチウム空気電池の正極(空気極)では、充放電に伴って下記式(1)で表される反応が進行すると考えられている。放電時には式(1)は右側に進み、正極表面にLi22が析出する。充電時には式(1)は左側に進み、Li22が酸化分解されてLi+イオンが電解液中に溶解し、同時に酸素ガスが発生する。式(1)の進行に必要とされる電位は理論的には2.94V(Li/Li+基準)であるが、実際のリチウム空気電池においては、充電・放電ともに例えば0.2〜1.5V程度の過電圧を与えなければ反応は進行しない。そのため、リチウム空気電池のエネルギー効率(充電時に要するエネルギーに対する放電時に得られるエネルギーの割合)が低く、課題の1つとなっている。なお、充電時の式(1)の反応は、下記式(2)〜(4)を経て進行すると考えられている。 Here, the reaction at the positive electrode of the lithium-air battery will be described. At the positive electrode (air electrode) of a lithium-air battery, it is considered that the reaction represented by the following formula (1) proceeds with charging and discharging. At the time of discharge, the formula (1) proceeds to the right side, and Li 2 O 2 is deposited on the surface of the positive electrode. During charging, equation (1) proceeds to the left, Li 2 O 2 is oxidatively decomposed, Li + ions are dissolved in the electrolytic solution, and oxygen gas is generated at the same time. The potential required for the progress of equation (1) is theoretically 2.94V (Li / Li + reference), but in an actual lithium-air battery, both charging and discharging are, for example, 0.2 to 1. The reaction does not proceed unless an overvoltage of about 5 V is applied. Therefore, the energy efficiency of the lithium-air battery (the ratio of the energy obtained at the time of discharge to the energy required at the time of charging) is low, which is one of the problems. It is considered that the reaction of the formula (1) at the time of charging proceeds through the following formulas (2) to (4).

Figure 2021150015
Figure 2021150015

Figure 2021150015
Figure 2021150015

本開示のリチウム空気電池では、正極は、結着材を含まない炭素材料からなるものである。これにより、正極と非水電解液との界面または正極とLi22との界面の電子伝導性が向上すると考えられる。また、本開示のリチウム空気電池では、非水電解液は、Li+イオンと溶媒和しやすいジメチルスルホキシドと、Li+イオン伝導性の高いアセトニトリルとの混合溶媒とを所定の比率で含んでいる。これにより、正極と非水電解液との界面、正極とLi22との界面またはLi22と非水電解液との界面での電荷移動と非水電解液中のイオン伝導に要するエネルギーを低減できると考えられる。これらによって、本開示のリチウム空気電池では、充放電時の過電圧を低減でき、結果としてエネルギー効率を高めることができると考えられる。 In the lithium-air battery of the present disclosure, the positive electrode is made of a carbon material that does not contain a binder. It is considered that this improves the electron conductivity at the interface between the positive electrode and the non-aqueous electrolyte solution or at the interface between the positive electrode and Li 2 O 2. Further, in the lithium-air battery of the present disclosure, the non-aqueous electrolyte solution contains a mixed solvent of dimethyl sulfoxide, which is easily solvated with Li + ions, and acetonitrile, which has high Li + ion conductivity, in a predetermined ratio. As a result, charge transfer and ion conduction in the non-aqueous electrolyte solution are required at the interface between the positive electrode and the non-aqueous electrolyte solution, the interface between the positive electrode and the Li 2 O 2 or the interface between the Li 2 O 2 and the non-aqueous electrolyte solution. It is thought that energy can be reduced. As a result, in the lithium-air battery of the present disclosure, it is considered that the overvoltage at the time of charging / discharging can be reduced, and as a result, the energy efficiency can be improved.

以上詳述した本開示では、上述した通り、充放電時の過電圧を低減したリチウム空気電池を提供することができる。また、このリチウム空気電池では、Li+イオン伝導性及び酸素溶解性が高いアセトニトリルを混合溶媒に用いている。これにより、充放電容量も比較的高い値とすることができる。このため、本開示では、高エネルギー密度かつ高出力の特性を有する高容量型のリチウム空気電池を実現できる。 In the present disclosure described in detail above, as described above, it is possible to provide a lithium-air battery in which an overvoltage during charging / discharging is reduced. Further, in this lithium-air battery, acetonitrile having high Li + ion conductivity and oxygen solubility is used as a mixed solvent. As a result, the charge / discharge capacity can also be set to a relatively high value. Therefore, in the present disclosure, it is possible to realize a high-capacity lithium-air battery having characteristics of high energy density and high output.

なお、本開示は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本開示の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。 It goes without saying that the present disclosure is not limited to the above-described embodiment, and can be implemented in various embodiments as long as it belongs to the technical scope of the present disclosure.

以下には、本開示のリチウム空気電池を具体的に作製した例を実施例として説明する。なお、実験例1〜3が実施例に相当し、実験例4〜5が比較例に相当する。本開示は以下に示す実施例に何ら限定されることはなく、本開示の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。 Hereinafter, an example in which the lithium-air battery of the present disclosure is specifically manufactured will be described as an example. Experimental Examples 1 to 3 correspond to Examples, and Experimental Examples 4 to 5 correspond to Comparative Examples. It goes without saying that the present disclosure is not limited to the examples shown below, and can be carried out in various aspects as long as it belongs to the technical scope of the present disclosure.

[実験例1]
(リチウム空気電池の作製)
カーボンペーパー(東レ製、TGP−H−060)を3.14cm2の面積となるように切り取り、リチウム空気電池の正極とした。このカーボンペーパーは、気体透過性が194(mL・mm/(cm2・h・Pa))であり、直径20μm以下の炭素繊維からなる。負極には、直径10mm、厚さ0.5mmの金属リチウム(田中貴金属製)を用いた。これらを用いて図1に示したリチウム空気電池を作製した。まず、SUS製のケーシング28に負極21を設置し、正極22との間にはリチウム伝導性の固体電解質25(OHARA製)を設置した。負極21と固体電解質25との間には、イオン伝導媒体24として非水電解液(電解液A)5mLを注入した。電解液Aには、1Mのリチウムテトラフルオロスルフォニルイミド(以下LiTFSI)を支持塩として含む、エチレンカーボネート30質量部とジエチルカーボネート70質量部からなる溶液(関東化学製)を用いた。次に、ジメチルスルホキシドを50体積%の割合で含む、アセトニトリル(ANとも称する)とジメチルスルホキシド(DMSOとも称する)との混合溶媒(AN/DMSOの体積比率=50/50)に0.5MのLiTFSIを含む非水電解液を調製した(電解液B)。この非水電解液(電解液B)200μLを固体電解質25と正極22の間に注入した。正極22上から空気が流通可能な押さえ部材31で押し付けることにより、セルを固定した。このようにして実験例1のリチウム空気電池を得た。なお、図示しないが、ケーシング28は正極22と接触する上部と負極21と接触する下部とに分離可能であり、絶縁樹脂の介在により、正極22と負極21とは電気的に絶縁されている。
[Experimental Example 1]
(Making a lithium-air battery)
Carbon paper (manufactured by Toray Industries, Inc., TGP-H-060) was cut out to an area of 3.14 cm 2 to form a positive electrode for a lithium-air battery. This carbon paper has a gas permeability of 194 (mL · mm / (cm 2 · h · Pa)) and is made of carbon fibers having a diameter of 20 μm or less. As the negative electrode, metallic lithium (manufactured by Tanaka Kikinzoku) having a diameter of 10 mm and a thickness of 0.5 mm was used. Using these, the lithium-air battery shown in FIG. 1 was produced. First, the negative electrode 21 was installed in the casing 28 made of SUS, and the lithium conductive solid electrolyte 25 (manufactured by OHARA) was installed between the negative electrode 21 and the casing 28. Between the negative electrode 21 and the solid electrolyte 25, 5 mL of a non-aqueous electrolyte solution (electrolyte solution A) was injected as an ionic conduction medium 24. As the electrolytic solution A, a solution (manufactured by Kanto Chemical Co., Inc.) containing 30 parts by mass of ethylene carbonate and 70 parts by mass of diethyl carbonate containing 1 M of lithium tetrafluorosulfonylimide (hereinafter, LiTFSI) as a supporting salt was used. Next, 0.5 M LiTFSI in a mixed solvent (AN / DMSO volume ratio = 50/50) of acetonitrile (also referred to as AN) and dimethyl sulfoxide (also referred to as DMSO) containing dimethyl sulfoxide in a proportion of 50% by volume. A non-aqueous electrolyte solution containing the above was prepared (electrolyte solution B). 200 μL of this non-aqueous electrolyte solution (electrolyte solution B) was injected between the solid electrolyte 25 and the positive electrode 22. The cell was fixed by pressing with a pressing member 31 capable of allowing air to flow from above the positive electrode 22. In this way, the lithium-air battery of Experimental Example 1 was obtained. Although not shown, the casing 28 can be separated into an upper portion that contacts the positive electrode 22 and a lower portion that contacts the negative electrode 21, and the positive electrode 22 and the negative electrode 21 are electrically insulated by the presence of an insulating resin.

(充放電試験)
このようにして得られたリチウム空気電池を、アスカ電子製の充放電装置(型名5V/100MA)にセットし、正極22から負極21の方向に0.63mA(200μA/cm2)の電流を流して放電電位が1.7V以下となるまで放電した。続けて、負極21から正極22の方向に0.063A(20μA/cm2)の電流を流して充電電位が4.3V以上となるまで充電した。この充放電試験は、25℃で行った。
(Charge / discharge test)
The lithium-air battery thus obtained is set in a charging / discharging device (model name 5V / 100MA) manufactured by Asuka Electronics, and a current of 0.63 mA (200 μA / cm 2 ) is applied in the direction from the positive electrode 22 to the negative electrode 21. It was flowed and discharged until the discharge potential became 1.7 V or less. Subsequently, a current of 0.063 A (20 μA / cm 2 ) was passed from the negative electrode 21 to the positive electrode 22 to charge the battery until the charging potential became 4.3 V or higher. This charge / discharge test was performed at 25 ° C.

[実験例2]
電解液Bの混合溶媒を、AN/DMSOの体積比率=25/75とした混合溶媒に替えた以外は実験例1と同様に充放電試験を実施した。
[Experimental Example 2]
A charge / discharge test was carried out in the same manner as in Experimental Example 1 except that the mixed solvent of the electrolytic solution B was replaced with a mixed solvent having an AN / DMSO volume ratio of 25/75.

[実験例3]
電解液Bの混合溶媒を、AN/DMSOの体積比率=75/25とした混合溶媒に替えた以外は実験例1と同様に充放電試験を実施した。
[Experimental Example 3]
A charge / discharge test was carried out in the same manner as in Experimental Example 1 except that the mixed solvent of the electrolytic solution B was replaced with a mixed solvent having an AN / DMSO volume ratio of 75/25.

[実験例4]
電解液Bの混合溶媒を、AN単独溶媒に替えた以外は実験例1と同様に充放電試験を実施した。
[Experimental Example 4]
A charge / discharge test was carried out in the same manner as in Experimental Example 1 except that the mixed solvent of the electrolytic solution B was changed to the AN single solvent.

[実験例5]
電解液Bの混合溶媒を、DMSO単独溶媒に替えた以外は実験例1と同様に充放電試験を実施した。
[Experimental Example 5]
A charge / discharge test was carried out in the same manner as in Experimental Example 1 except that the mixed solvent of the electrolytic solution B was replaced with a DMSO single solvent.

(結果と考察)
図2に、実験例1〜5の充放電試験における電位と電池容量の変化を表すグラフを示す。また、表1に、実験例1〜5のAN/DMSOの体積比、放電容量が25mAh/gのときの放電電位(V)、充電率が50%のときの充電電位(V)及び放電容量(mAh/g)をまとめて示す。
(Results and discussion)
FIG. 2 shows a graph showing changes in potential and battery capacity in the charge / discharge tests of Experimental Examples 1 to 5. Table 1 shows the volume ratio of AN / DMSO of Experimental Examples 1 to 5, the discharge potential (V) when the discharge capacity is 25 mAh / g, the charge potential (V) when the charge rate is 50%, and the discharge capacity. (MAh / g) are shown together.

Figure 2021150015
Figure 2021150015

図2及び表1に示すように、ANとDMSOとの混合溶媒を電解液溶媒とした実験例1〜3では、実験例4(AN単独溶媒)や実験例5(DMSO単独溶媒)のどちらと比較しても放電電位が高い値を示しており、実験例4,5と比較して放電時の過電圧が低減されたことがわかった。また、実験例1〜3では、実験例4や実験例5のどちらと比較しても充電電位が低い値を示しており、実験例4,5と比較して充電時の過電圧も低減されたことがわかった。さらに、実験例1〜3では、いずれの場合にも実験例5よりも充放電容量が高かった。これらのことから、実験例1〜3のリチウム空気電池は、高出力及び高エネルギー密度の特性を兼ね備えていることが分かった。 As shown in FIGS. 2 and 1, in Experimental Examples 1 to 3 in which the mixed solvent of AN and DMSO was used as the electrolytic solution solvent, either Experimental Example 4 (AN single solvent) or Experimental Example 5 (DMSO single solvent) was used. Even in comparison, the discharge potential showed a high value, and it was found that the overvoltage during discharge was reduced as compared with Experimental Examples 4 and 5. Further, in Experimental Examples 1 to 3, the charging potential was lower than that of both Experimental Examples 4 and 5, and the overvoltage during charging was also reduced as compared with Experimental Examples 4 and 5. I understand. Further, in Experimental Examples 1 to 3, the charge / discharge capacity was higher than that in Experimental Example 5 in each case. From these facts, it was found that the lithium-air batteries of Experimental Examples 1 to 3 have the characteristics of high output and high energy density.

実験例4(AN単独溶媒)では、充放電容量が大きいものの、充放電時の過電圧が大きかった。これは、非水電解液の溶媒として、Li+イオン伝導性が高くLi+イオンに対して溶媒和しにくいアセトニトリルを単独で用いたためと推察された。 In Experimental Example 4 (AN single solvent), although the charge / discharge capacity was large, the overvoltage during charge / discharge was large. This, as the solvent of the nonaqueous electrolytic solution, was presumed to be due to using the Li + ion conductivity is high Li + solvation difficult acetonitrile against ions alone.

実験例5(DMSO単独溶媒)では、充放電時の過電圧が実験例4より低減された。これは、非水電解液の溶媒としてO2 -イオンとLi+イオンの両方に対して溶媒和しやすいジメチルスルホキシド単独で用いたことによる、溶媒和の効果により、上述した式(2)での過電圧が低減されたためと推察された。しかし、実験例5では、実験例1〜3ほど充放電時の過電圧を低減することはできなかった。これは、ジメチルスルホキシドではLi+イオンの伝導性が低いため、比較的早期に過電圧が上昇することなどによるものと推察された。 In Experimental Example 5 (DMSO single solvent), the overvoltage during charging and discharging was reduced as compared with Experimental Example 4. This is due to the effect of solvation due to the use of dimethyl sulfoxide alone, which is easily solvated with both O 2 - ion and Li + ion, as the solvent for the non-aqueous electrolyte solution. It was presumed that the overvoltage was reduced. However, in Experimental Example 5, the overvoltage during charging / discharging could not be reduced as much as in Experimental Examples 1 to 3. It was speculated that this is because the overvoltage rises relatively early because the conductivity of Li + ions is low in dimethyl sulfoxide.

これに対して、実験例1〜3では、非水電解液の溶媒として、Li+イオン伝導性の高いアセトニトリルとLi+イオンと溶媒和しやすいジメチルスルホキシドとを含む混合溶媒を用いている。これにより、正極と非水電解液との界面、正極とLi22との界面またはLi22と非水電解液との界面での電荷移動と非水電解液中のイオン伝導に要するエネルギーが低減され、過電圧が低減されたと推察された。つまり、実験例1〜3では、ジメチルスルホキシドの溶媒和の効果とアセトニトリルの高いLi+イオン伝導性の両方が電荷移動エネルギー及び物質移動エネルギーを低減させるように働き、充電時の過電圧及び放電時の過電圧の両方が低減されたと推察された。なお、実験例1〜3において、正極は、結着材を含まない炭素材料からなるものである。これによっても、正極と非水電解液との界面または正極とLi22との界面の電子伝導性が向上し、充放電時の過電圧が低減されたと推察された。 On the other hand, in Experimental Examples 1 to 3, a mixed solvent containing acetonitrile having high Li + ion conductivity, Li + ions and dimethyl sulfoxide which is easily solvated is used as the solvent of the non-aqueous electrolyte solution. As a result, charge transfer and ion conduction in the non-aqueous electrolyte solution are required at the interface between the positive electrode and the non-aqueous electrolyte solution, the interface between the positive electrode and the Li 2 O 2 or the interface between the Li 2 O 2 and the non-aqueous electrolyte solution. It was speculated that the energy was reduced and the overvoltage was reduced. That is, in Experimental Examples 1 to 3, both the solvation effect of dimethyl sulfoxide and the high Li + ionic conductivity of acetonitrile work to reduce charge transfer energy and substance transfer energy, and overvoltage during charging and discharge during charging. It was speculated that both overvoltages were reduced. In Experimental Examples 1 to 3, the positive electrode is made of a carbon material that does not contain a binder. It is presumed that this also improved the electron conductivity at the interface between the positive electrode and the non-aqueous electrolyte solution or the interface between the positive electrode and Li 2 O 2 and reduced the overvoltage during charging and discharging.

実験例1〜3のうち、混合溶媒中のジメチルスルホキシドの割合が25体積%と少ない実験例3よりも、ジメチルスルホキシドの割合が50体積%の実験例1やジメチルスルホキシドの割合が75体積%の実験例2の方が充電時及び放電時の両方において過電圧が小さかった。このことから、混合溶媒中のジメチルスルホキシドの割合は25体積%以上が好ましく、40体積%以上がより好ましく、50体積%以上がさらに好ましいことがわかった。また、混合溶媒中のジメチルスルホキシドの割合が100%の実験例5よりも、アセトニトリルを含む実験例1〜3の方が充放電時の過電圧が小さいことから、混合溶媒中にアセトニトリルをある程度含むものとすれば過電圧を低減できると考えられ、ジメチルスルホキシドの割合は90体積%以下でもよく、85体積%以下でもよく、75体積%以下でもよいと推察された。充放電容量を向上させる観点からは、ジメチルスルホキシドの割合は90体積%以下が好ましく、85体積%以下がより好ましく、75体積%以下がさらに好ましいことがわかった。 Of Experimental Examples 1 to 3, the proportion of dimethyl sulfoxide in the mixed solvent is as small as 25% by volume, and the proportion of dimethyl sulfoxide is 50% by volume in Experimental Example 1 and the proportion of dimethyl sulfoxide is 75% by volume as compared with Experimental Example 3. In Experimental Example 2, the overvoltage was smaller both during charging and during discharging. From this, it was found that the ratio of dimethyl sulfoxide in the mixed solvent is preferably 25% by volume or more, more preferably 40% by volume or more, and further preferably 50% by volume or more. Further, since the overvoltage during charging and discharging of Experimental Examples 1 to 3 containing acetonitrile is smaller than that of Experimental Example 5 in which the ratio of dimethyl sulfoxide in the mixed solvent is 100%, acetonitrile is contained in the mixed solvent to some extent. If so, it is considered that the overvoltage can be reduced, and it is presumed that the proportion of dimethyl sulfoxide may be 90% by volume or less, 85% by volume or less, or 75% by volume or less. From the viewpoint of improving the charge / discharge capacity, it was found that the proportion of dimethyl sulfoxide is preferably 90% by volume or less, more preferably 85% by volume or less, and further preferably 75% by volume or less.

本開示は、電池産業に利用可能である。 The present disclosure is available to the battery industry.

20 リチウム空気電池、21 負極、22 正極、24 イオン伝導媒体、25 固体電解質、26 非水電解液、28 ケーシング、31 押さえ部材、32 ガス溜め。 20 Lithium-air battery, 21 Negative electrode, 22 Positive electrode, 24 Ion conductive medium, 25 Solid electrolyte, 26 Non-aqueous electrolyte, 28 Casing, 31 Pressing member, 32 Gas reservoir.

Claims (6)

リチウムを吸蔵放出する負極活物質を有する負極と、
結着材を含まない炭素材料からなり、酸素を正極活物質とする正極と、
前記正極に接触し、ジメチルスルホキシドを25体積%以上90体積%以下の割合で含むアセトニトリルとジメチルスルホキシドとの混合溶媒を含む非水電解液と、
を備えたリチウム空気電池。
A negative electrode with a negative electrode active material that occludes and releases lithium,
A positive electrode made of carbon material that does not contain a binder and uses oxygen as the positive electrode active material,
A non-aqueous electrolytic solution containing a mixed solvent of acetonitrile and dimethyl sulfoxide, which is in contact with the positive electrode and contains dimethyl sulfoxide in a proportion of 25% by volume or more and 90% by volume or less.
Lithium-air battery with.
前記混合溶媒は、ジメチルスルホキシドを40体積%以上85体積%以下の割合で含む、
請求項1に記載のリチウム空気電池。
The mixed solvent contains dimethyl sulfoxide in a proportion of 40% by volume or more and 85% by volume or less.
The lithium-air battery according to claim 1.
前記混合溶媒は、ジメチルスルホキシドを50体積%以上75体積%以下の割合で含む、
請求項1又は2に記載のリチウム空気電池。
The mixed solvent contains dimethyl sulfoxide in a proportion of 50% by volume or more and 75% by volume or less.
The lithium-air battery according to claim 1 or 2.
前記正極は、前記結着材を含まない炭素材料として直径5μm以上20μm以下の炭素繊維を含む、請求項1〜3のいずれか1項に記載のリチウム空気電池。 The lithium-air battery according to any one of claims 1 to 3, wherein the positive electrode contains carbon fibers having a diameter of 5 μm or more and 20 μm or less as a carbon material that does not contain the binder. 前記正極は、前記結着材を含まない炭素材料としてカーボンペーパーからなる、請求項1〜4のいずれか1項に記載のリチウム空気電池。 The lithium-air battery according to any one of claims 1 to 4, wherein the positive electrode is made of carbon paper as a carbon material containing no binder. 前記負極は、前記負極活物質としてリチウム金属を有し、
前記正極と前記負極との間にリチウムイオンを伝導する固体電解質を備える、請求項1〜5のいずれか1項に記載のリチウム空気電池。
The negative electrode has a lithium metal as the negative electrode active material.
The lithium-air battery according to any one of claims 1 to 5, further comprising a solid electrolyte that conducts lithium ions between the positive electrode and the negative electrode.
JP2020045186A 2020-03-16 2020-03-16 Lithium air battery Pending JP2021150015A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2020045186A JP2021150015A (en) 2020-03-16 2020-03-16 Lithium air battery

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2020045186A JP2021150015A (en) 2020-03-16 2020-03-16 Lithium air battery

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2021150015A true JP2021150015A (en) 2021-09-27

Family

ID=77849198

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2020045186A Pending JP2021150015A (en) 2020-03-16 2020-03-16 Lithium air battery

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2021150015A (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6257232B2 (en) Lithium battery
JP6548984B2 (en) Lithium-air battery and vehicle equipped with lithium-air battery
Imanishi et al. Rechargeable lithium–air batteries: characteristics and prospects
CN105591177B (en) Water for metal-air battery enhances ionic liquid electrolyte
EP2541665B1 (en) Non-aqueous liquid electrolyte secondary battery
KR101148831B1 (en) Non-aqueous electrolyte and lithium air battery including the same
JP6436874B2 (en) Lithium air electrochemical cell, battery including lithium air electrochemical cell, and vehicle including the battery
WO2013146714A1 (en) Lithium secondary battery electrolyte and secondary battery including said electrolyte
JP6623188B2 (en) Lithium air battery and vehicle
JP5273256B2 (en) Non-aqueous electrolyte and metal-air battery
CN101861676A (en) Air secondary battery and method for manufacturing the same
US20150318590A1 (en) Non-aqueous electrolyte solutions and lithium/oxygen batteries using the same
WO2012023018A1 (en) Air electrode for metal-air battery, and metal-air battery including the air electrode
US9281524B2 (en) Metal air battery
US20200161708A1 (en) Battery
JP7117662B2 (en) Positive electrode for air battery and air battery
US20140080012A1 (en) Electrolyte for metal-air battery and metal-air battery
JP2008091248A (en) Large-capacity secondary battery
EP2835859B1 (en) Electrolyte solution for lithium-air batteries, and lithium-air battery comprising the same
KR20160131606A (en) Lithium Air Battery of Coin Cell Type
JP2021150015A (en) Lithium air battery
JP6894973B2 (en) Semi-solid electrolyte, semi-solid electrolyte, semi-solid electrolyte layer, electrodes and secondary battery
JP6711040B2 (en) Lithium air battery
US10930962B2 (en) Nitrogen battery, fuel synthesizing apparatus, and fuel synthesizing method
US20140065495A1 (en) Metal-air battery